JP2001177197A

JP2001177197A - 窒化ケイ素配線基板

Info

Publication number: JP2001177197A
Application number: JP35453499A
Authority: JP
Inventors: Akihisa Makino; 晃久牧野; Tomohide Hasegawa; 智英長谷川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】パワー素子の発熱に対して優れた放熱性を有し
つつ且つパワーモジュールに適用した場合の構造を簡略
化し得る窒化ケイ素配線基板を得る。【解決手段】窒化ケイ素を主成分とするセラミックスか
らなる厚み１ｍｍ以下の絶縁基板１表面に、厚みが０．
１ｍｍ以上の配線回路層２を活性金属法によって被着形
成されてなる窒化ケイ素配線基板において、セラミック
スの室温での抗折強度が７００ＭＰａ以上であるととも
に、絶縁基板１に配線基板を他の部材に固定するための
貫通穴８を有し、貫通穴８の直径をＡｍｍ、絶縁基板１
の厚みをＴｍｍ、絶縁基板１側端面１ａから貫通穴８端
部までの最短距離をＬｍｍとしたとき、Ａ／（Ｌ×
Ｔ²）＝＜５０の関係を満足するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ケイ素を主成
分とするセラミックスからなる絶縁基板の表面に配線回
路層が形成された配線基板に関し、特にその表面にパワ
ー素子が搭載され、また配線回路層に対して大電流が印
加されるパワーモジュールなどに適用される配線基板の
改良に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、産業機器の分野ではＭＯＳＦＥＴや
ＩＧＢＴなどのパワー系デバイスを用いたパワーモジュ
ールが制御基板に適用されつつある。これらのパワー系
デバイスに使用される電流は数十〜数百Ａを超え、非常
に高電力となるため、パワー系デバイスから発生する熱
も大きくなる。これによるデバイスの誤動作あるいは破
壊を防止するために、発生熱をいかに系外に放出するか
が大きな問題になっており、このようなパワー系デバイ
スを搭載する配線基板に対しては、絶縁基板として高い
熱伝導性が要求されている。

【０００３】従来から、デバイスから発生した熱を放熱
するための好適な絶縁材料としては、炭化ケイ素、酸化
ベリリウム、窒化アルミニウム等のセラミックスが用い
られてきたが、量産性、安全性などの点から窒化アルミ
ニウム質セラミックスが多くのパワーモジュール用絶縁
基板として用いられている。

【０００４】従来のパワーモジュールの構造について概
略断面図を図３に示した。図３のパワーモジュールによ
れば、絶縁基板２１の一方の表面には、大電流が印加さ
れる肉厚の大きい銅あるいはアルミニウムなどの配線回
路層２２が被着形成されている。そして、配線回路層２
２にはパワー素子２３が搭載され、Ａｌのワイヤボンデ
ィング２４により、他の配線回路層２２やパワー素子２
３あるいは電極２５と電気的に接続されている。絶縁基
板２１の他方の表面には、パワー素子２３の作動によっ
て発生した熱を効率的に放熱するために、Ｃｕなどの高
熱伝導体からなる放熱板２６がロウ材等によって取付け
られている。

【０００５】そして、パワー素子２３を搭載した複数個
の絶縁基板２１は、放熱性の高い底板２７と、電極２５
を具備する絶縁体側板２８からなる筐体２９へ半田を用
いて固定されてパワーモジュールが形成されている。そ
して、このパワーモジュールは冷却装置３０に対して筐
体２９を螺子などによって機械的に固定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のパワーモジュー
ルには、通常、複数個のパワー素子２３が搭載されてい
るが、パワー素子２３を搭載するための絶縁基板２１と
して、窒化アルミニウム質セラミックスを用いた場合、
窒化アルミニウム質セラミックスの強度が低いために絶
縁基板２１自体を大きくすることができないために、図
３に示すように、個々のパワー素子２３それぞれが個別
の絶縁基板２１に搭載されて、それらパワー素子２３が
搭載された複数の絶縁基板２１を一枚の放熱板となる底
板２７に半田付けされた複雑な構造からなり、その結
果、個々の絶縁基板２１の底板２７への取付け工程、あ
るいはそれらの取付け位置の精度など組み立て工程やモ
ジュール自体の構造が複雑になるなどの問題があった。

【０００７】しかも、窒化アルミニウムセラミックスの
強度が低いために絶縁基板２１厚みを薄くすることがで
きず、熱抵抗が高くなるため、セラミックス自体の高熱
伝導化が必要となり、その結果、高温で焼成する必要が
あるために製造コストが高くなるなどの問題があった。

【０００８】従って、本発明は、パワー素子の発熱に対
して優れた放熱性を有しつつ且つパワーモジュールに適
用した場合の構造を簡略化し得る窒化ケイ素配線基板を
提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
に対して検討を重ねた結果、絶縁基板として窒化ケイ素
セラミックスを用いることによって、基板自体の強度を
高くすることによって１つの絶縁基板の表面に複数のパ
ワー素子を搭載することができるとともに、この窒化ケ
イ素絶縁基板の特定箇所に、放熱板や冷却装置などの他
の部材に対して螺子止めなどが可能な固定用の貫通穴を
形成することによって、配線基板のみならずパワーモジ
ュール全体の構造の簡略化を図ることができることを見
いだし本発明に至った。

【００１０】即ち、本発明の窒化ケイ素配線基板は、窒
化ケイ素を主成分とするセラミックスからなる絶縁基板
表面に、配線回路層が被着形成される窒化ケイ素配線基
板において、前記セラミックスの室温での抗折強度が７
００ＭＰａ以上であるとともに、前記絶縁基板に該配線
基板を他の部材に固定するための貫通穴を有し、該貫通
穴の直径をＡｍｍ、前記絶縁基板の厚みをＴｍｍ、前記
絶縁基板側端面から穴端部までの最短距離をＬｍｍとし
たとき、Ａ／（Ｌ×Ｔ²）＝＜５０の関係を満足するこ
とを特徴とするものである。

【００１１】また、上記の配線基板においては、前記絶
縁基板の表面に２つ以上の半導体素子が搭載される場合
に好適である。

【００１２】また、上記の配線基板においては、前記絶
縁基板の厚みが１ｍｍ以下であり、前記配線回路層が
０．１ｍｍ以上の金属板からなり、該配線回路層が活性
金属を用いて前記絶縁基板に接合されてなることを特徴
とするものであり、さらに、前記絶縁基板の熱伝導率が
４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること、前記絶縁基板が、窒化
ケイ素を主成分とし、希土類元素及びアルカリ土類金属
を酸化物換算による合量で４〜３０モル％、且つ前記希
土類金属（ＲＥ）及びアルカリ土類金属（Ｒ）の酸化物
換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＲＯ）が０．１〜１５の
割合となる比率で含有するとともに、Ａｌの酸化物換算
による含有量が１．０モル％以下であることが望まし
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の窒化ケイ素配線基
板について図１の概略断面図をもとに説明する。図１に
示されるように本発明の配線基板は、基本的には、窒化
ケイ素を主成分とするセラミックスからなる絶縁基板１
の表面には、大電流が印加される配線回路層２が被着形
成されており、また基板１表面には、複数のパワー素子
３が配列して搭載されており、それぞれのパワー素子３
はＡｌのワイヤボンディング４などにより、他の配線回
路層２、他のパワー素子３、あるいは基板１の端部に設
けられた端子電極５などと電気的に接続されている。一
方、絶縁基板１の裏面には、パワー素子３の作動によっ
て発生した熱を効率的に放熱するために、Ｃｕなどの高
熱伝導体からなる放熱板６が取付けられている。そし
て、このような配線基板はさらに放熱性を高めるため
に、冷却装置７へ固定される。

【００１４】本発明においては、この絶縁基板１に放熱
板６や冷却装置７などの他の部材に固定するための貫通
穴８を具備することが大きな特徴である。この貫通穴８
は、例えば、図１に示されるように、基板１の裏面に取
り付けられた放熱板７にも貫通穴９を形成し、それらの
穴８，９を冷却装置７に形成された穴１０に整合させて
所定の螺子（図示せず）などによって螺子止めすること
ができる。

【００１５】また、本発明によれば、そのような貫通穴
８を用いて螺子止めする場合、その締めつけ力によって
基板自体が破損する虞がある。このような破損は、セラ
ミックス自体の強度のみならず、その貫通穴の形成箇所
によってその発生頻度が大きく変化する。

【００１６】本発明によれば、かかる観点から、絶縁基
板を構成する窒化ケイ素セラミックスの室温強度が７０
０ＭＰａ以上であること、また図２に示すように、貫通
穴８の穴径をＡｍｍ、絶縁基板１の厚みをＴｍｍ、該絶
縁基板１の側端面１ａから貫通穴８端部までの最短距離
をＬｍｍとしたとき、Ａ／（Ｌ×Ｔ²）＝＜５０，特に
Ａ／（Ｌ×Ｔ²）＝＜４０を満足するように穴径、基板
厚み、穴位置を定めることが重要である。

【００１７】なお、上記の室温強度は、ＪＩＳＲ１６０
１の３点曲げ強度試験に基づき、測定し、破壊に至った
時の荷重を断面積で割った値である。また、端面１ａか
ら貫通穴８端部までの最短距離は、基板の４つの端面部
のうち、最も貫通穴に近接している側端面からの距離で
ある。

【００１８】これは、窒化ケイ素セラミックスの熱伝導
率は窒化アルミニウムセラミックスよりも非常に低いた
めに、その基板の熱抵抗を低減するためには、その厚み
を１ｍｍ以下に薄く設定する必要がある。そのために、
窒化ケイ素セラミックスの強度が７００ＭＰａよりも低
いと、配線基板自体の絶対強度が低下し、基板自体を複
数のパワー素子を搭載できるほどの大きな面積を有する
基板を作製することが困難であり、しかも配線基板のい
かなる位置にいかなる大きさの穴が開いても、固定の際
に生じる応力により絶縁基板が破壊する確率が非常に大
きくなるためである。

【００１９】また、窒化ケイ素セラミックスの強度が大
きくても、Ａ／（Ｌ×Ｔ²）＞５０の場合には、螺子止
め固定の際に生じる応力により、特に基板の側端面と穴
端部間において、クラックが発生してしまう。従って、
基板強度が７００ＭＰａを超える絶縁基板に対し、Ａ、
Ｔ、Ｌが上式を満足するように貫通穴を設けることによ
り、絶縁基板を破壊させることなく冷却装置に直接固定
することが可能になり、パワーモジュールの構造を簡略
化することが可能になる。

【００２０】また、本発明の絶縁基板の厚さは前述の理
由から１ｍｍ以下、特に０．７ｍｍ以下、さらには０．
４ｍｍ以下であることが望ましい。これは、配線基板と
して熱抵抗を小さくするために必要であり、厚さが１ｍ
ｍよりも厚いと配線基板の熱抵抗が増大する結果、パワ
ー素子の作動により発生する熱を放熱板や冷却装置に対
して効率的に伝達することが困難となるためである。

【００２１】また、本発明によれば、絶縁基板１を構成
する窒化ケイ素質セラミックスは、パワー素子の作動に
より発生する熱を放熱板や冷却装置に対して効率的に伝
達する上で、熱伝導率が高いことが望ましく、特に熱伝
導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が
望ましい。

【００２２】絶縁基板を構成する窒化ケイ素セラミック
スはβ−窒化ケイ素を主体とするものであり、焼結体の
断面における電子顕微鏡写真より求めた平均アスペクト
比が１．５〜５、短軸径が０．１〜１μｍの結晶から構
成される。

【００２３】そして、この焼結体の粒界相には、焼結助
剤成分として、少なくとも希土類元素（ＲＥ）を含有す
るものである。希土類元素（ＲＥ）としてはＹ、Ｌａ、
Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈ
ｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの何れの元素でも好適に用
いる事ができるが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄ
ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、とりわけＹ、Ｅｒが特性、コス
トの点で望ましい。

【００２４】また、本発明によれば、焼結性を高め、且
つ上記特性を具備するためにＭｇなどのアルカリ土類金
属を含有することが望ましく、前記希土類元素及びアル
カリ土類金属は酸化物換算による合量で４〜３０モル
％、特に５〜２５モル％の範囲で配合される。但し、前
記希土類元素（ＲＥ）とアルカリ土類金属（Ｒ）との酸
化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＲＯ）が０．１〜１
５、特に０．５〜１３の範囲となることが望ましい。

【００２５】これは上記合量が４モル％より少ないと、
焼結体を十分に緻密化させることが難しく、３０モル％
を越えると焼結体中での粒界相の占める割合が増加する
為に熱伝導率が低下しやすくなるためである。またＲＥ
₂Ｏ₃／ＭｇＯの比率が１５を越えたり、０．１より小さ
くなっても、緻密化は不十分となり、熱伝導率は低下す
る。

【００２６】また、Ａｌ₂Ｏ₃などのＡｌ化合物の配合
は、焼結性の向上に大きく寄与するが、Ｓｉ₃Ｎ₄結晶中
に固溶してフォノンの伝播を阻害する結果、焼結体の熱
伝導率を著しく低下させるため、高熱伝導化のためには
存在しないことが望ましく、具体的には、Ａｌは酸化物
換算で１．０モル％以下、望ましくは０．５モル％以
下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０１
モル％以下にするのが良い。

【００２７】なおこの焼結体中には着色成分としてＴ
ｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、など周
期律表第４ａ、５ａ、６ａ属金属のうち少なくとも１種
を酸化物換算で０．０５〜１重量％の割合で含んでいて
もよい。

【００２８】本発明の窒化ケイ素配線基板を製造するに
は、まず絶縁基板を作製する。この絶縁基板は、窒化ケ
イ素粉末に対して、焼結助剤として、希土類元素化合
物、Ｍｇなどのアルカリ土類金属化合物を前述の比率に
配合する。

【００２９】このとき、用いる窒化ケイ素粉末として
は、焼結体表面の荒れや強度の劣化、さらには焼結性を
助長する上で不純物酸素量が０．５〜３．０重量％のも
のが望ましい。また、平均粒径は、０．１〜１．５μｍ
であり、α率が８０％以上であることが望ましい。な
お、焼結助剤となる化合物は、酸化物、炭酸塩、酢酸塩
など焼成によって酸化物を形成しうる化合物であること
が望ましい。

【００３０】次に、該混合粉末に有機バインダーと溶媒
とを添加してスラリーを調製し、このスラリーをドクタ
ーブレード法、カレンダーロール法、圧延法、押し出し
成形法等の周知の成形方法により基板状成形体を作製す
る。この基板状成形体は単層でもよいし、薄肉のシート
状成形体を積層したものでもよい。得られた基板状成形
体の所定の位置に金型等を用いて貫通穴を形成する。

【００３１】その後、上記成形体を弱酸化性雰囲気中に
て脱バインダー処理した後、窒素などの非酸化性雰囲気
中で、１８００℃以下の温度で焼成することにより絶縁
基板を作製することができる。

【００３２】次に、得られた絶縁基板に、Ｃｕ−Ａｇ−
Ｔｉ或いはＣｕ−Ａｕ−Ｔｉなどの活性金属を含有する
ロウ材のペーストを塗布し、厚さ０．１ｍｍ以上の金属
箔あるいは金属板を積層し、あるいは、同様にして基板
の裏面に上記活性金属を用いて厚さ０．１ｍｍ以上の放
熱板を積層し、８００〜９００℃で加圧しながら焼付け
を行う。焼付け後、金属箔や金属板にレジスト塗布、露
光、現像、エッチング処理、レジスト剥離などの手法に
よって、所定の回路パターンからなる配線回路層を形成
することにより窒化ケイ素配線基板を得る。

【００３３】さらに冷却装置や放熱板に固定する場合に
は配線基板に形成した貫通穴を介して任意の螺子などの
固定治具を用いてこの配線基板を固定することができ
る。

【００３４】

【実施例】平均粒径が１．２μｍ、酸素量が１．３重量
％、α率９３％の直接窒化法により製造された窒化ケイ
素原料粉末に希土類元素酸化物、ＭｇＣＯ₃、場合によ
ってはＡｌ₂Ｏ₃を表１に示すような成形体組成となるよ
うに添加混合し、その混合粉末に対して成形用バインダ
ーとしてアクリル樹脂バインダーを、溶媒としてトルエ
ンを添加してスラリー化する。そして、そのスラリーを
用いてドクターブレード法により厚さ０．３ｍｍのグリ
ーンシートを得た。かくして得られたグリーンシートを
適宜積層し、直径１２ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状に、ま
た基板強度測定用に厚さ０．３ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ
６０ｍｍの板状に成形した。

【００３５】かくして得られた成形体を弱酸化性雰囲気
中、所定温度で脱バインダーした後、常圧窒素雰囲気中
で焼成して窒化ケイ素質セラミックスを作製し、評価用
の試料とした。

【００３６】得られた評価用試料を用いて、まずアルキ
メデス法により窒化ケイ素質セラミックスの密度を測定
した。ついでレーザーフラッシュ法により熱伝導率を、
ＪＩＳＲ１６０１の３点曲げ試験機により基板強度をそ
れぞれ室温中で測定した。

【００３７】また、上記各組成物を用いて、種々の厚み
の絶縁基板を作製した。この際、成形体に基板外周の所
定の位置に所定の大きさの穴を設けた。この絶縁基板に
１２Ｎ・ｍのねじり応力をかけ、絶縁基板の破壊状況を
確認した。

【００３８】また、この基板に活性金属法によって厚さ
０．５ｍｍのＣｕ板を接合し、エッチング処理すること
により、Ｃｕ板による配線回路層を形成した。その後、
３個のパワー素子を自動実装装置にて半田付けして実装
した。その後１００Ａの電流を印加し、チップの破壊状
況を確認した。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１の結果によれば、基板厚みを０．３２
ｍｍ、基板側端面−穴端部距離を４ｍｍに固定して穴径
を徐々に大きくしていった結果、２４ｍｍまで大きくし
た試料Ｎｏ．６は、Ａ／（Ｌ×Ｔ²）が５９となり、固
定の際に基板が破壊した。この時の破壊はすべて基板端
面−穴端部の距離が最も短くなる部分で発生した。

【００４１】次に、穴径を１２ｍｍ、基板端面−穴端部
距離を４ｍｍに固定して、基板厚みを薄くした結果、基
板厚みを０．１６ｍｍにした試料Ｎｏ．７はＡ／（Ｌ×
Ｔ²）が１１７となり、基板はすべて応力付加直後に破
壊した。

【００４２】さらに、穴径を１２ｍｍ、基板厚みを０．
３２ｍｍに固定して基板端面−穴端部の距離を短くして
いった結果、２ｍｍ以下にした試料Ｎｏ．１１、１２は
Ａ／（Ｌ×Ｔ²）がそれぞれ５９、１１７となり、基板
固定の際に破壊が多発した。この時の破壊は穴の近傍の
部分から発生しており、破壊の起点は一貫していなかっ
た。

【００４３】以上の結果より、基板を貫通する穴を設け
る際に、Ａ／（Ｌ×Ｔ²）が５０以下の試料はすべて良
好に固定でき、このような位置に設けることにより冷却
装置へ直接固定することが可能であることを確認した。

【００４４】また、材料組成について、希土類元素（Ｒ
Ｅ）及びＭｇを酸化物換算による合量が４モル％よりも
少ない試料Ｎｏ．１３、希土類金属及びＭｇの酸化物換
算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）が０．１よりも小
さい試料Ｎｏ．１８、及び上記モル比が１５よりも大き
い試料Ｎｏ．２１では、緻密化不足になり強度が７００
ＭＰａより低くなり、固定時に破壊が発生し、また熱伝
導率も低いものであった。また、上記合量が３０モル％
を超える試料Ｎｏ．１７では緻密化されるものの、強度
が７００ＭＰａ未満となり、また熱伝導率も低下した。

【００４５】なお、熱伝導性の観点からはＡｌ量が酸化
物換算で１モル％以下で４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の特性が得
られた。

【００４６】以上の結果から、基板強度が７００ＭＰａ
を下回るものはＡ／（Ｌ×Ｔ²）＝＜５０を満足する穴
を設けても、固定時に破壊しており、材料特性として基
板強度７００ＭＰａ以上が不可欠であることが分かる。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明の配線基板
は、絶縁基板として高強度の窒化ケイ素質セラミックス
を用い、且つ特定の条件を満足する箇所に貫通穴を形成
することによって、冷却装置などへ直接固定可能な配線
基板としてパワーモジュール構造を著しく簡略化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化ケイ素配線基板を用いたパワーモ
ジュールの概略断面図である。

【図２】絶縁基板と貫通穴の位置関係を説明するための
図である。

【図３】従来のパワーモジュールの概略断面図である。

【符号の説明】

１絶縁基板２配線回路層３パワー素子４ワイヤ５端子電極６放熱板７冷却装置８，９貫通穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G001 BA03 BA08 BA32 BA73 BA81 BB03 BB06 BB08 BB32 BC12 BC13 BC17 BC34 BD03 BD14 BD38 5E338 AA01 AA18 BB02 BB13 BB63 BB75 CC01 EE02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ケイ素を主成分とするセラミックスか
らなる絶縁基板表面に、配線回路層が被着形成されてな
る窒化ケイ素配線基板において、前記セラミックスの室
温での抗折強度が７００ＭＰａ以上であるとともに、該
配線基板を他の部材に固着するための貫通穴が形成され
ており、該貫通穴の直径をＡｍｍ、前記絶縁基板の厚み
をＴｍｍ、前記絶縁基板側端面から穴端部までの最短距
離をＬｍｍとしたとき、Ａ／（Ｌ×Ｔ²）＝＜５０の関
係を満足することを特徴とする窒化ケイ素配線基板。
【請求項２】前記絶縁基板の表面に２つ以上の半導体素
子が搭載される請求項１記載の窒化ケイ素配線基板。
【請求項３】前記絶縁基板の厚みが１ｍｍ以下であり、
前記配線回路層が０．１ｍｍ以上の金属板からなり、該
配線回路層が活性金属を用いて前記絶縁基板に接合され
てなることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素配線
基板。
【請求項４】前記絶縁基板の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素
配線基板。
【請求項５】前記絶縁基板が、窒化ケイ素を主成分と
し、希土類元素及びアルカリ土類金属を酸化物換算によ
る合量で４〜３０モル％、且つ前記希土類金属（ＲＥ）
及びアルカリ土類金属（Ｒ）の酸化物換算によるモル比
（ＲＥ₂Ｏ₃／ＲＯ）が０．１〜１５の割合となる比率で
含有するとともに、Ａｌの酸化物換算による含有量が
１．０モル％以下であることを特徴とする請求項１記載
の窒化ケイ素配線基板。